BCP/HAFG-rhBMP-2复合人工骨修复骨缺损的实验研究(2)
术后不同时间点3组AKP测定结果，在第2周，B组较A组和C组均明显增高(P<0.05)；随着术后时间的延长，各组AKP活性逐渐降低，其中B组降低较快，8周时A组AKP活性较其他两组高，差异有显著性(P<0.05)；A组与C组的AKP降低幅度较平缓。在第2-12周时间段内，第12周与第2周相比较，A组降低了65.13%，B组降低了71.03%，C组降低了58.59%。12周时各组AKP活性均恢复至正常水平。
2.4 生物力学测试结果
术后12周时A、B、C组植入材料和正常桡骨组的极限抗压强度分别为(538±12.7)N、(368±24.0)N、(256±8.4)N和(547±14.8)N。A组的极限抗压强度与正常桡骨非常接近，无显著性差异(P>0.05)，且两者的抗压强度均明显高于B组和C组，统计学分析差异有显著性(P<0.05)。
2.5 扫描电镜检查
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术后2周A、B组可见排列致密的胶原纤维及大量钙盐结晶及小梁状新骨形成，C组未见明显钙结晶沉淀。4周时A组材料与骨界面形成骨组织与宿主骨结合，但新骨结构疏松，随时间延长，骨组织逐渐转向致密。到12周时A组材料已基本被成熟骨组织所代替，新骨结构与宿主骨无明显差别。而C和B组骨小梁结构疏松细小，材料仍未完全被降解，材料与骨组织间形成较大间隙。
2.6 X线检查
(1)B组：4周时材料与骨界面形成骨组织与宿主骨紧密结合，骨缺损内见密度较高的BCP影，周围有中等量骨痂形成；8周时BCP影密度降低，周围骨痂形成较前有所增多；12周时BCP影部分消失，骨缺损大部分愈合，骨髓腔部分再通。(2)A组：4周时移植材料与两骨端融合，骨缺损区有较多骨痂形成；8周时部分骨缺损已愈合，骨髓腔部分再通；12周时全部骨缺损已愈合，皮质骨塑形良好，骨髓腔完全再通(图8)。(3)C组：4周时BCP影清晰；8周时BCP影密度降低，有少量骨痂形成；12周时大部分骨缺损仍存在。
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3 讨 论
3.1 骨缺损的形成及治疗
由于某种因素如外伤、感染、肿瘤等而使骨丧失了一些骨质，形成较大的间隙，称为骨缺损。骨缺损修复最常用的方法是自体骨或异体骨移植，但自体骨移植的不足是取骨数量受限、影响供骨区生物力学强度和功能、增加患者创伤和痛苦；异体骨具有自体骨一些优越的组织特点及可减少手术次数，但其存在免疫排斥反应，并有感染HIV和肝炎病毒等可能，而且制样、处理和存贮的成本很高。为克服自体骨和异体骨移植的缺点，人们开始探索利用生物材料修复骨缺损。
目前，用于骨缺损修复的生物材料主要有两大类，一类为人工合成生物材料，如聚乳酸(PLA)、钙磷陶瓷、聚乙醇烯(PVA)等；另一类为天然高分子材料，如胶原、骨生长因子(BMP)、明胶等。其中聚乳酸类因缺乏骨传导性、机械强度差及降解产物酸性大等缺点，使其在应用上受到了限制。与其相比生物活性陶瓷具有较好的生物相容性和骨传导性能。因而近年来国内外对生物活性陶瓷骨替代材料的研究日趋增多。目前对该类材料的研究主要着眼于利用先进的加工技术将其与各种活性因子进行复合，以获得更好的骨缺损修复能力。
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3.2 BCP/HAFG-rhBMP-2复合人工骨生物学特性及成骨作用
多孔双相钙磷陶瓷材料以钙、磷为主要成分，与骨基质中的无机成分相似。大量实验证明它具有良好的生物相容性和降解性，但缺乏骨诱导活性。试验中将双相钙磷陶瓷多孔支架与HAFG-rhBMP-2缓释体系进行了复合，从而使该材料在具有良好的生物相容性及骨传导作用的基础上，又获得了较持久的体内诱导成骨能力。
骨形态发生蛋白(bone morphogenie protein，BMP)是一种广泛分布于各种动物骨组织中的酸性多肽，具有骨诱导活性。但单纯的BMP在体内易被蛋白酶分解，其生物学活性难以得到持续性发挥。为了克服这一问题，目前的研究主要是利用有机高分子化合物制成BMP缓释微球以获得体内缓释的效果，但在微球的制备工艺中常需要有机溶剂等理化因素的处理，这使BMP的生物活性受到了影响。本实验中选择HAFG复合凝胶作为rhBMP-2的缓释载体，利用纤维蛋白原发生快速γ交联和缓慢的α交联后形成半刚性三维网状纤维蛋白凝块，能将HA/rhBMP-2固定于纤维蛋白凝块网孔内的特性，大大降低了HA在植入局部的溶散率，同时还避免了组织液及纤维蛋白酶过快地进入纤维蛋白凝块内部，从而使HAFG-rhBMP-2复合凝胶缓释体系能在机体内存留较长时间。
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BPC/HAFG-BMP-2复合型人工骨的作用机制及优点如下。(1)生物相容性：本试验将BCP与HAFG进行复合，使材料在成分及结构上与天然骨更为接近，再加上透明质酸及纤维蛋白凝胶聚合时释放各种生物活性因子，使得细胞更易于在材料表面黏附、增殖并分泌基质。因此该复合材料具有比单纯BCP更为良好的生物相容性。(2)骨诱导性：实验中将rhBMP-2与HAFG制成缓释体系后再和BCP进行了复合。由于HA带大量的负电荷，能与带正电的rhBMP-2形成较好结合，再加上三维网状纤维蛋白凝块具有较强的吸附及降低HA/BMP溶散的作用，使得rhBMP-2可随着复合凝胶的降解缓慢释放，能较长时间保持局部有效浓度。试验中对AKP检测及组织学的观察结果均提示BPC/HAFG-rh BMP-2复合型人工骨的诱导成骨活性较BPC/rhBMP-2人工骨更为持久。(2)生物降解性：由于羟基磷灰石和磷酸三钙(triealeium phosphate，TCP)在体内降解速度过快，与新骨生长速度不匹配，同时也影响材料植入后的稳固性能。试验中利用羟基磷灰石的高强度、高生物活性及稳定性，将其与TCP合成BCP系统，使得材料在体内的降解与新骨的生长更为匹配。(3)骨传导性：BCP主要是依靠它的三维多孔结构，尤其是它的合适孔径和孔隙问的连通，为成骨细胞的长入提供支撑作用。
因此，BPC/HAFG-rhBMP-2人工骨是一种较理想的骨移植替代材料，具有较高的临床实用价值。但多孔BCP本身在力学强度及脆性方面还有一定的缺陷，所以将其作为负重骨缺损的修复材料还需要作进一步探讨。
[致谢]本研究中的BCP材料由东南大学材料科学与工程学院生物材料研究组董寅生老师提供。, http://www.100md.com(钱卫庆 王 宸 陈昌红)
2.4 生物力学测试结果
术后12周时A、B、C组植入材料和正常桡骨组的极限抗压强度分别为(538±12.7)N、(368±24.0)N、(256±8.4)N和(547±14.8)N。A组的极限抗压强度与正常桡骨非常接近，无显著性差异(P>0.05)，且两者的抗压强度均明显高于B组和C组，统计学分析差异有显著性(P<0.05)。
2.5 扫描电镜检查
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术后2周A、B组可见排列致密的胶原纤维及大量钙盐结晶及小梁状新骨形成，C组未见明显钙结晶沉淀。4周时A组材料与骨界面形成骨组织与宿主骨结合，但新骨结构疏松，随时间延长，骨组织逐渐转向致密。到12周时A组材料已基本被成熟骨组织所代替，新骨结构与宿主骨无明显差别。而C和B组骨小梁结构疏松细小，材料仍未完全被降解，材料与骨组织间形成较大间隙。
2.6 X线检查
(1)B组：4周时材料与骨界面形成骨组织与宿主骨紧密结合，骨缺损内见密度较高的BCP影，周围有中等量骨痂形成；8周时BCP影密度降低，周围骨痂形成较前有所增多；12周时BCP影部分消失，骨缺损大部分愈合，骨髓腔部分再通。(2)A组：4周时移植材料与两骨端融合，骨缺损区有较多骨痂形成；8周时部分骨缺损已愈合，骨髓腔部分再通；12周时全部骨缺损已愈合，皮质骨塑形良好，骨髓腔完全再通(图8)。(3)C组：4周时BCP影清晰；8周时BCP影密度降低，有少量骨痂形成；12周时大部分骨缺损仍存在。
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3 讨 论
3.1 骨缺损的形成及治疗
由于某种因素如外伤、感染、肿瘤等而使骨丧失了一些骨质，形成较大的间隙，称为骨缺损。骨缺损修复最常用的方法是自体骨或异体骨移植，但自体骨移植的不足是取骨数量受限、影响供骨区生物力学强度和功能、增加患者创伤和痛苦；异体骨具有自体骨一些优越的组织特点及可减少手术次数，但其存在免疫排斥反应，并有感染HIV和肝炎病毒等可能，而且制样、处理和存贮的成本很高。为克服自体骨和异体骨移植的缺点，人们开始探索利用生物材料修复骨缺损。
目前，用于骨缺损修复的生物材料主要有两大类，一类为人工合成生物材料，如聚乳酸(PLA)、钙磷陶瓷、聚乙醇烯(PVA)等；另一类为天然高分子材料，如胶原、骨生长因子(BMP)、明胶等。其中聚乳酸类因缺乏骨传导性、机械强度差及降解产物酸性大等缺点，使其在应用上受到了限制。与其相比生物活性陶瓷具有较好的生物相容性和骨传导性能。因而近年来国内外对生物活性陶瓷骨替代材料的研究日趋增多。目前对该类材料的研究主要着眼于利用先进的加工技术将其与各种活性因子进行复合，以获得更好的骨缺损修复能力。
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3.2 BCP/HAFG-rhBMP-2复合人工骨生物学特性及成骨作用
多孔双相钙磷陶瓷材料以钙、磷为主要成分，与骨基质中的无机成分相似。大量实验证明它具有良好的生物相容性和降解性，但缺乏骨诱导活性。试验中将双相钙磷陶瓷多孔支架与HAFG-rhBMP-2缓释体系进行了复合，从而使该材料在具有良好的生物相容性及骨传导作用的基础上，又获得了较持久的体内诱导成骨能力。
骨形态发生蛋白(bone morphogenie protein，BMP)是一种广泛分布于各种动物骨组织中的酸性多肽，具有骨诱导活性。但单纯的BMP在体内易被蛋白酶分解，其生物学活性难以得到持续性发挥。为了克服这一问题，目前的研究主要是利用有机高分子化合物制成BMP缓释微球以获得体内缓释的效果，但在微球的制备工艺中常需要有机溶剂等理化因素的处理，这使BMP的生物活性受到了影响。本实验中选择HAFG复合凝胶作为rhBMP-2的缓释载体，利用纤维蛋白原发生快速γ交联和缓慢的α交联后形成半刚性三维网状纤维蛋白凝块，能将HA/rhBMP-2固定于纤维蛋白凝块网孔内的特性，大大降低了HA在植入局部的溶散率，同时还避免了组织液及纤维蛋白酶过快地进入纤维蛋白凝块内部，从而使HAFG-rhBMP-2复合凝胶缓释体系能在机体内存留较长时间。
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BPC/HAFG-BMP-2复合型人工骨的作用机制及优点如下。(1)生物相容性：本试验将BCP与HAFG进行复合，使材料在成分及结构上与天然骨更为接近，再加上透明质酸及纤维蛋白凝胶聚合时释放各种生物活性因子，使得细胞更易于在材料表面黏附、增殖并分泌基质。因此该复合材料具有比单纯BCP更为良好的生物相容性。(2)骨诱导性：实验中将rhBMP-2与HAFG制成缓释体系后再和BCP进行了复合。由于HA带大量的负电荷，能与带正电的rhBMP-2形成较好结合，再加上三维网状纤维蛋白凝块具有较强的吸附及降低HA/BMP溶散的作用，使得rhBMP-2可随着复合凝胶的降解缓慢释放，能较长时间保持局部有效浓度。试验中对AKP检测及组织学的观察结果均提示BPC/HAFG-rh BMP-2复合型人工骨的诱导成骨活性较BPC/rhBMP-2人工骨更为持久。(2)生物降解性：由于羟基磷灰石和磷酸三钙(triealeium phosphate，TCP)在体内降解速度过快，与新骨生长速度不匹配，同时也影响材料植入后的稳固性能。试验中利用羟基磷灰石的高强度、高生物活性及稳定性，将其与TCP合成BCP系统，使得材料在体内的降解与新骨的生长更为匹配。(3)骨传导性：BCP主要是依靠它的三维多孔结构，尤其是它的合适孔径和孔隙问的连通，为成骨细胞的长入提供支撑作用。
因此，BPC/HAFG-rhBMP-2人工骨是一种较理想的骨移植替代材料，具有较高的临床实用价值。但多孔BCP本身在力学强度及脆性方面还有一定的缺陷，所以将其作为负重骨缺损的修复材料还需要作进一步探讨。
[致谢]本研究中的BCP材料由东南大学材料科学与工程学院生物材料研究组董寅生老师提供。, http://www.100md.com(钱卫庆 王 宸 陈昌红)